Caso práctico: Regulador de brillo de pantalla adaptativo

Prototipo de Regulador de brillo de pantalla adaptativo (Maker Style)

Nivel: Medio
Diseña un circuito que disminuya la intensidad de la retroiluminación LED a medida que aumenta la luz ambiental.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un controlador PWM (Modulación por Ancho de Pulso) utilizando un temporizador 555 y una fotorresistencia (LDR). El circuito ajustará automáticamente el ciclo de trabajo de la señal de salida basándose en los niveles de luz ambiental, controlando un MOSFET de potencia para atenuar una tira de LED.

Por qué es útil:
* Eficiencia energética: Reduce el consumo de energía en entornos de alto brillo donde la retroiluminación podría ser menos visible o necesaria (dependiendo del tipo de pantalla).
* Luces nocturnas automáticas: Útil para sistemas que necesitan ser tenues durante el día y brillantes por la noche (si se invierte la lógica) o viceversa.
* Confort visual humano: Previene el deslumbramiento ajustando la intensidad de la luz dinámicamente.
* Instrumentación: A menudo utilizado en tableros de automóviles o paneles de control.

Resultado esperado:
* Generación de señal: Una salida de onda cuadrada en el pin 3 del temporizador 555.
* Respuesta inversa: Cuando el LDR se expone a luz fuerte (Linterna), el brillo del LED disminuye.
* Respuesta en oscuridad: Cuando el LDR está cubierto (Oscuridad), el brillo del LED aumenta al máximo.
* Público objetivo: Estudiantes de electrónica de nivel intermedio y aficionados.

Materiales

  • V1: Fuente de voltaje de 9 V CC, función: Alimentación principal del circuito.
  • R1: Fotorresistencia (LDR), función: Sensor de luz (Ruta de carga).
  • R2: Resistencia de 10 kΩ, función: Temporización de la ruta de descarga.
  • R3: Resistencia de 1 kΩ, función: Protección de la Gate del MOSFET.
  • R4: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente del LED.
  • C1: Condensador de 100 nF, función: Condensador de temporización PWM.
  • C2: Condensador de 10 nF, función: Filtrado de ruido del voltaje de control.
  • D1: Diodo 1N4148, función: Diodo de dirección para la ruta de carga.
  • D2: Diodo 1N4148, función: Diodo de dirección para la ruta de descarga.
  • D3: LED blanco de alto brillo, función: Retroiluminación simulada.
  • Q1: 2N7000 (MOSFET de canal N), función: Interruptor controlador del LED.
  • U1: Temporizador de precisión NE555, función: Generador PWM.

Guía de conexionado

Esta guía utiliza nombres de nodos específicos (VCC, 0, V_TRIG, V_GATE, etc.) para ayudarte a verificar las conexiones.

  • Fuente de alimentación:
  • Conecta el terminal positivo de V1 al nodo VCC.
  • Conecta el terminal negativo de V1 al nodo 0 (GND).
  • Alimentación y Reset del Temporizador 555 (U1):
  • Conecta U1 pin 8 (VCC) al nodo VCC.
  • Conecta U1 pin 1 (GND) al nodo 0.
  • Conecta U1 pin 4 (Reset) al nodo VCC.
  • Red de temporización (El núcleo PWM):
  • Conecta R1 (LDR) entre el nodo VCC y el nodo V_CHARGE.
  • Conecta D1 (Ánodo) a V_CHARGE y D1 (Cátodo) al nodo V_TIMING.
  • Conecta D2 (Ánodo) al nodo V_TIMING y D2 (Cátodo) al nodo V_DISCHARGE.
  • Conecta R2 entre el nodo V_DISCHARGE y U1 pin 7 (Discharge).
  • Conecta C1 entre el nodo V_TIMING y el nodo 0.
  • Conecta U1 pin 2 (Trigger) al nodo V_TIMING.
  • Conecta U1 pin 6 (Threshold) al nodo V_TIMING.
  • Voltaje de control:
  • Conecta C2 entre U1 pin 5 (CV) y el nodo 0.
  • Etapa de salida:
  • Conecta R3 entre U1 pin 3 (Output) y el nodo V_GATE.
  • Conecta Q1 Gate al nodo V_GATE.
  • Conecta Q1 Source al nodo 0.
  • Conecta Q1 Drain al nodo V_LED_CATHODE.
  • Carga (Retroiluminación):
  • Conecta R4 entre el nodo VCC y el nodo V_LED_ANODE.
  • Conecta D3 Anode al nodo V_LED_ANODE.
  • Conecta D3 Cathode al nodo V_LED_CATHODE.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — TEMPORIZADOR Adaptive PWM Generator
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

Title: Practical case: Adaptive Screen Brightness Regulator

      [ INPUTS / TIMING NETWORK ]              [ LOGIC / CONTROL ]                 [ OUTPUT STAGE ]

[ V1: 9 V Source ] --(Power VCC)--------->+-----------------------+
                                         |                       |
(Light) -> [ R1: LDR ] --(Charge)------->|                       |
                                         |       U1: NE555       |
[ D1, D2, R2 ] --(Steering/Disch)------->|    (PWM Generator)    |--(Pin 3)--> [ R3: 1k ] --> [ Q1: MOSFET ]
                                         |                       |                                  |
[ C1: 100nF ] --(Timing Ramp)----------->|  Pins 2,6 (Trig/Thr)  |                                  |
                                         |  Pin 7 (Discharge)    |                           (Switches GND)
[ C2: 10nF ] --(Filter)----------------->|  Pin 5 (Ctrl Volt)    |                                  |
                                         |                       |                                  v
                                         +-----------------------+                       [ D3: LED + R4: 330R ]
                                                                                              (Backlight)
Esquema Eléctrico

Diagrama eléctrico

Diagrama eléctrico del caso: Regulador adaptativo de brillo de pantalla
Generado desde la netlist SPICE validada del caso.

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Mediciones y pruebas

Realiza estos pasos para validar el comportamiento «Inverso» (Más luz = Menos brillo).

  1. Comprobación base (Luz ambiental):
    • Alimenta el circuito con 9 V.
    • Observa el LED D3. Debería estar iluminado a un nivel moderado.
    • Mide el voltaje en V_GATE usando un osciloscopio. Deberías ver una onda cuadrada.
  2. Prueba de luz alta:
    • Apunta una linterna directamente sobre R1 (LDR).
    • Observación: El LED D3 debería atenuarse significativamente o apagarse.
    • Medición: Comprueba el ciclo de trabajo en V_GATE. Dado que la resistencia del LDR cae, el condensador se carga muy rápidamente (Ton corto) en relación con el tiempo de descarga fijo (Toff). El Ciclo de Trabajo (Ton / Ttotal) disminuye.
  3. Prueba de luz baja:
    • Cubre R1 (LDR) con tu mano o una tapa negra.
    • Observación: El LED D3 debería alcanzar el brillo máximo.
    • Medición: La resistencia del LDR aumenta, haciendo que el tiempo de carga (Ton) sea mucho más largo. El Ciclo de Trabajo aumenta hacia el 100%.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Practical case: Adaptive Screen Brightness Regulator

* --- Power Supply ---
V1 VCC 0 DC 9

* --- Input Stage (Light Sensor) ---
R1 VCC V_CHARGE 20k

* --- PWM Timing Network ---
D1 V_CHARGE V_TIMING D1N4148
D2 V_TIMING V_DISCHARGE D1N4148
R2 V_DISCHARGE V_DISCH_PIN 10k
C1 V_TIMING 0 100n

* --- Control & Processing ---
* U1: NE555 Precision Timer
XU1 0 V_TIMING V_OUT_PIN VCC V_CV V_TIMING V_DISCH_PIN VCC NE555

* Control Voltage noise filtering
C2 V_CV 0 10n
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Adaptive Screen Brightness Regulator

* --- Power Supply ---
V1 VCC 0 DC 9

* --- Input Stage (Light Sensor) ---
R1 VCC V_CHARGE 20k

* --- PWM Timing Network ---
D1 V_CHARGE V_TIMING D1N4148
D2 V_TIMING V_DISCHARGE D1N4148
R2 V_DISCHARGE V_DISCH_PIN 10k
C1 V_TIMING 0 100n

* --- Control & Processing ---
* U1: NE555 Precision Timer
XU1 0 V_TIMING V_OUT_PIN VCC V_CV V_TIMING V_DISCH_PIN VCC NE555

* Control Voltage noise filtering
C2 V_CV 0 10n

* --- Output Driver Stage ---
R3 V_OUT_PIN V_GATE 1k

* Q1: N-Channel MOSFET
MQ1 V_LED_CATHODE V_GATE 0 0 2N7000

* --- Load (Backlight) ---
R4 VCC V_LED_ANODE 330
D3 V_LED_ANODE V_LED_CATHODE WHITE_LED

* --- Component Models ---
.model D1N4148 D (IS=2.682n N=1.836 RS=.5664 BV=100 IBV=100p CJO=4p TT=11.54n)
.model 2N7000 NMOS (Level=1 VTO=2.1 KP=0.5 Lambda=0.002 RD=1.5 RS=1.5 CGSO=10p CGDO=10p CGBO=10p)
.model WHITE_LED D (IS=1p N=5 RS=5 BV=5 IBV=10u CJO=50p)

* --- NE555 Behavioral Subcircuit ---
.subckt NE555 GND TRIG OUT RESET CV THRES DISCH VCC
    * Internal Voltage Divider
    R_div1 VCC CV 5k
    R_div2 CV TR 5k
    R_div3 TR GND 5k

    * Comparators (Sigmoid-based for smooth convergence)
    * Set Signal (Active High) when TRIG < 1/3 VCC (V_TR)
    B_set set_node 0 V = 2.5 + 2.5 * tanh(100 * (V(TR) - V(TRIG)))

    * Reset Signal Logic
    * Condition 1: THRES > CV
    B_c1 c1 0 V = 0.5 * (1 + tanh(100 * (V(THRES) - V(CV))))
    * Condition 2: RESET < 1.0V
    B_c2 c2 0 V = 0.5 * (1 + tanh(100 * (1.0 - V(RESET))))
    * Combine (Probabilistic OR logic): V_rst = c1 + c2 - c1*c2, scaled to 5V
    B_rst rst_node 0 V = 5 * (V(c1) + V(c2) - V(c1)*V(c2))

    * RC Delays to prevent algebraic loops in Flip-Flop
    R_sd set_node set_d 1k
    C_sd set_d 0 1p
    R_rd rst_node rst_d 1k
    C_rd rst_d 0 1p

    * SR Latch (Cross-coupled NOR logic with soft thresholds)
    * Q = ~(R | Qb)
    B_q  q_int  0 V = 5 / (1 + exp( 20 * (V(rst_d) + V(qb_int) - 2.5) ))
    * Qb = ~(S | Q)
    B_qb qb_int 0 V = 5 / (1 + exp( 20 * (V(set_d) + V(q_int) - 2.5) ))

    * Output Buffer
    E_out OUT_int 0 q_int 0 1
    R_out_prot OUT_int OUT 1

    * Discharge Transistor (Switch to GND when Qb is High / Output Low)
    S_disch DISCH 0 qb_int 0 SW_DISCH
    .model SW_DISCH SW(Vt=2.5 Ron=10 Roff=100Meg)
.ends

* --- Simulation Directives ---
.tran 10u 20m
.print tran V(V_TIMING) V(V_GATE) V(V_LED_CATHODE) V(V_LED_ANODE)
.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (4016 rows) 
Index   time            v(v_timing)     v(v_gate)       v(v_led_cathode
0	0.000000e+00	3.183820e+00	9.643749e-22	8.709822e+00
1	1.000000e-07	3.183820e+00	9.643749e-22	8.709822e+00
2	2.000000e-07	3.183820e+00	-2.54330e-17	8.709822e+00
3	4.000000e-07	3.183820e+00	4.759196e-18	8.709822e+00
4	8.000000e-07	3.183820e+00	-5.90561e-18	8.709822e+00
5	1.600000e-06	3.183820e+00	1.843922e-17	8.709822e+00
6	3.200000e-06	3.183820e+00	4.911091e-18	8.709822e+00
7	6.400000e-06	3.183819e+00	9.652751e-18	8.709822e+00
8	1.280000e-05	3.183819e+00	-2.42211e-18	8.709822e+00
9	2.280000e-05	3.183818e+00	-2.25892e-17	8.709822e+00
10	3.280000e-05	3.183818e+00	-5.29878e-18	8.709822e+00
11	4.280000e-05	3.183817e+00	-8.38426e-18	8.709822e+00
12	5.280000e-05	3.183816e+00	-5.24090e-18	8.709822e+00
13	6.280000e-05	3.183815e+00	5.344924e-18	8.709822e+00
14	7.280000e-05	3.183815e+00	-6.20163e-18	8.709822e+00
15	8.280000e-05	3.183814e+00	-2.95146e-18	8.709822e+00
16	9.280000e-05	3.183813e+00	-1.95605e-17	8.709822e+00
17	1.028000e-04	3.183813e+00	5.833300e-18	8.709822e+00
18	1.128000e-04	3.183812e+00	-9.79628e-18	8.709822e+00
19	1.228000e-04	3.183812e+00	1.090495e-18	8.709822e+00
20	1.328000e-04	3.183811e+00	-1.79618e-17	8.709822e+00
21	1.428000e-04	3.183810e+00	6.632650e-18	8.709822e+00
22	1.528000e-04	3.183810e+00	-1.47697e-17	8.709822e+00
23	1.628000e-04	3.183809e+00	6.958764e-18	8.709822e+00
... (3992 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Invertir los diodos de dirección (D1, D2):
    • Error: Colocar D1 o D2 al revés impide que el condensador se cargue o descargue correctamente.
    • Solución: Asegúrate de que la banda negra (cátodo) de D1 apunte hacia el condensador y la banda negra de D2 apunte hacia el Pin 7.
  2. Conectar el LDR al Pin 7 directamente:
    • Error: Conectar el LDR sin los diodos de dirección crea un oscilador astable estándar donde la frecuencia cambia drásticamente, pero el control del ciclo de trabajo es menos distintivo.
    • Solución: Utiliza la topología de dirección con diodos descrita para separar las rutas de Carga (LDR) y Descarga (R2).
  3. Confusión en el pinout del MOSFET:
    • Error: Intercambiar Drain y Source en el 2N7000.
    • Solución: Verifica la hoja de datos. Para el 2N7000 (TO-92), mirando el lado plano, los pines suelen ser Source, Gate, Drain (de izquierda a derecha).

Solución de problemas

  • Síntoma: El LED está siempre ENCENDIDO y no cambia con la luz.
    • Causa: Gate del MOSFET flotante o Pin 3 atascado en Alto.
    • Arreglo: Revisa las conexiones de R1 y C1. Asegúrate de que los pines 2 y 6 estén unidos.
  • Síntoma: El LED está siempre APAGADO.
    • Causa: La resistencia del LDR es demasiado baja (cortocircuito) o el LED está conectado al revés.
    • Arreglo: Revisa la polaridad del LED. Mide la resistencia del LDR en oscuridad; si es 0 Ω, está defectuoso.
  • Síntoma: El LED parpadea visiblemente.
    • Causa: La frecuencia es demasiado baja.
    • Arreglo: Reduce el valor de C1 (p. ej., cambia de 100 nF a 10 nF) para aumentar la frecuencia PWM más allá de la persistencia de la visión humana (> 100 Hz).

Posibles mejoras y extensiones

  1. Fijación de brillo mínimo: Añade una resistencia fija en serie con el LDR (R1). Esto asegura que incluso con luz extremadamente brillante (baja resistencia del LDR), todavía haya un tiempo de carga mínimo, evitando que el LED se apague por completo.
  2. Transición más suave: Añade un condensador grande en paralelo con el LDR para filtrar cambios rápidos en la luz (p. ej., sombras de objetos que pasan), creando un efecto de «desvanecimiento» en lugar de un salto instantáneo en el brillo.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el componente principal utilizado para generar la señal PWM en este circuito?




Pregunta 2: ¿Qué función cumple la fotorresistencia (LDR) en el diseño propuesto?




Pregunta 3: ¿Cuál es el comportamiento esperado del brillo del LED cuando aumenta la luz ambiental?




Pregunta 4: ¿Qué componente se utiliza para conmutar la potencia de la tira de LED?




Pregunta 5: ¿Qué beneficio de 'confort visual humano' se menciona en el texto?




Pregunta 6: ¿En qué pin del temporizador 555 se genera la señal de salida de onda cuadrada?




Pregunta 7: ¿Qué beneficio relacionado con la eficiencia energética ofrece este circuito?




Pregunta 8: ¿Qué tipo de modulación se utiliza en este proyecto?




Pregunta 9: ¿Qué aplicación práctica se menciona para este tipo de circuito en el texto?




Pregunta 10: ¿Cuál es el nivel de dificultad asignado a este proyecto según el texto?




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

Sígueme:

Caso práctico: Seguidor solar de un solo eje

Prototipo de Seguidor solar de un solo eje (Maker Style)

Nivel: Medio. Diseña un circuito de control que compare los niveles de luz de dos sensores para orientar un motor hacia la fuente de luz más brillante.

Objetivo y caso de uso

Este caso práctico te guía a través de la construcción de un bucle de control analógico que orienta automáticamente un mecanismo hacia una fuente de luz utilizando fotorresistencias (LDR) y amplificadores operacionales. Construirás un «buscador solar» que equilibra activamente dos entradas de luz para accionar un motor en la dirección correspondiente.

  • Aplicaciones en el mundo real:
  • Energía solar: Aumenta la eficiencia de los paneles fotovoltaicos manteniendo los paneles perpendiculares al sol durante todo el día.
  • Robótica: Permite comportamientos de búsqueda de luz (fototaxis) en robots autónomos.
  • Domótica: Controla persianas inteligentes para regular la temperatura de la habitación basándose en la intensidad de la luz solar.
  • Resultado esperado:
  • Cuando la fuente de luz está equilibrada, el motor permanece parado.
  • Cuando LDR1 está sombreado, la diferencia de voltaje activa el motor para girar en sentido horario (CW).
  • Cuando LDR2 está sombreado, el motor gira en sentido antihorario (CCW).
  • Público objetivo: Estudiantes de electrónica familiarizados con divisores de voltaje y amplificadores operacionales (OpAmps).

Materiales

  • V1: Fuente de alimentación de 9 V CC (Fuente de energía).
  • R1: Fotorresistencia (LDR), función: Sensor de luz izquierdo.
  • R2: Fotorresistencia (LDR), función: Sensor de luz derecho.
  • R3: Resistencia de 10 kΩ, función: Rama inferior del divisor de voltaje para R1.
  • R4: Resistencia de 10 kΩ, función: Rama inferior del divisor de voltaje para R2.
  • U1: LM358, función: Amplificador operacional dual (Comparadores).
  • U2: L293D, función: CI controlador de motor de puente en H.
  • M1: Motorreductor de 9 V CC, función: Actuador de seguimiento.
  • C1: Condensador de 100 nF, función: Desacoplo de la fuente de alimentación.

Guía de conexionado

Este circuito utiliza dos divisores de voltaje paralelos comparados por dos OpAmps para determinar la dirección del motor.

  • Fuente de alimentación:
  • Conecta el terminal positivo de V1 al nodo VCC.
  • Conecta el terminal negativo de V1 al nodo GND (0).

  • Conecta C1 entre VCC y GND.

  • Sensores (Divisor de voltaje dual):

  • Conecta R1 (LDR izquierdo) entre VCC y el nodo VA (Voltaje del sensor A).
  • Conecta R3 entre VA y GND.
  • Conecta R2 (LDR derecho) entre VCC y el nodo VB (Voltaje del sensor B).

  • Conecta R4 entre VB y GND.

  • Comparadores (LM358 – U1):

  • Comparador A (Lógica de giro a la derecha/CW):
    • Conecta la entrada no inversora (+) de U1 al nodo VA.
    • Conecta la entrada inversora (-) de U1 al nodo VB.
    • Conecta la Salida A de U1 al nodo SIG_CW.
  • Comparador B (Lógica de giro a la izquierda/CCW):
    • Conecta la entrada no inversora (+) de U1 al nodo VB.
    • Conecta la entrada inversora (-) de U1 al nodo VA.
    • Conecta la Salida B de U1 al nodo SIG_CCW.

  • Conecta el pin VCC de U1 a VCC y el pin GND a GND.

  • Controlador de motor (L293D – U2):

  • Conecta la Entrada 1 de U2 al nodo SIG_CW.
  • Conecta la Entrada 2 de U2 al nodo SIG_CCW.
  • Conecta el pin Enable 1 de U2 a VCC.
  • Conecta la Salida 1 de U2 al nodo M_POS.
  • Conecta la Salida 2 de U2 al nodo M_NEG.
  • Conecta VCC1 (Lógica) y VCC2 (Potencia) de U2 a VCC.

  • Conecta los pines GND de U2 a GND.

  • Actuador:

  • Conecta M1 (Motor) entre los nodos M_POS y M_NEG.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — LM358 Solar Tracking Logic
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

[ INPUTS / SENSORS ]               [ LOGIC / PROCESSING ]                  [ ACTUATOR ]

   [ Power Supply Block ]
   [ Source: V1 (9 V)    ] --(VCC/GND Power)--> (Distributes to all ICs and Sensors)
   [ Filter: C1 (100nF) ]

                                         [ U1: LM358 Dual OpAmp ]
                                         |                      |
   [ Left Light Sensor  ]                | Comparator A (Logic) |
   [ Top: R1 (LDR)      ] --(Signal VA)->| Input: VA > VB ?     |--(SIG_CW)--->+
   [ Bot: R3 (10k Ohm)  ]                | Output: Turn CW      |              |
                                         |                      |              |
                                         |                      |              v
                                         | Comparator B (Logic) |      [ U2: L293D H-Bridge ]
   [ Right Light Sensor ]                | Input: VB > VA ?     |      |                    |
   [ Top: R2 (LDR)      ] --(Signal VB)->| Output: Turn CCW     |      | Input 1: CW Sig    |
   [ Bot: R4 (10k Ohm)  ]                |                      |      | Input 2: CCW Sig   |===(High Current)==> [ M1: Gear Motor ]
                                         +----------+-----------+      | Enable: VCC        |      (9 V DC)
                                                    |                  | VCC1/VCC2: 9 V      |
                                                    +--(SIG_CCW)------>| GND: Common        |
                                                                       +--------------------+
Esquema Eléctrico

Diagrama eléctrico

Diagrama eléctrico del caso práctico: Seguidor solar de un solo eje
Generado desde la netlist SPICE validada del caso.

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Mediciones y pruebas

Sigue estos pasos para validar la lógica del seguidor:

  1. Prueba de equilibrio estático:

    • Expón ambos LDR a la luz ambiente por igual.
    • Mide el voltaje en los nodos VA y VB. Deberían ser aproximadamente iguales.
    • Mide SIG_CW y SIG_CCW. Ambos deberían estar en Bajo (aprox. 0 V) o equilibrados, manteniendo el motor detenido.

  2. Simulación de sombra izquierda:

    • Cubre R1 (LDR izquierdo) con tu mano.
    • Observación: La resistencia de R1 aumenta, provocando que el voltaje en VA caiga.
    • Comprobación lógica: Dado que VB > VA, el Comparador B (No inversor = VB) debería ponerse en Alto (SIG_CCW ≈ VCC).
    • Actuador: El motor debería girar en sentido antihorario.

  3. Simulación de sombra derecha:

    • Expón R1 a la luz y cubre R2 (LDR derecho).
    • Observación: La resistencia de R2 aumenta, provocando que el voltaje en VB caiga.
    • Comprobación lógica: Dado que VA > VB, el Comparador A (No inversor = VA) debería ponerse en Alto (SIG_CW ≈ VCC).
    • Actuador: El motor debería girar en sentido horario.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Single-axis Solar Tracker Simulation
* Based on Practical Electronics Breadboard Case

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC power supply
V1 VCC 0 DC 9V
* C1: 100 nF capacitor (Decoupling)
C1 VCC 0 100nF

* --- Dynamic Light Stimulus (Virtual Control) ---
* This source simulates the position of the sun moving from Left to Right.
* 0V = Light on Left Sensor, 5V = Light on Right Sensor.
* Sweeps linearly from 0V to 5V over 100ms.
V_LIGHT LIGHT_POS 0 PWL(0 0 100m 5)

* --- Sensors (LDRs) ---
* Modeled as voltage-dependent resistors controlled by LIGHT_POS.
* R1 (Left LDR): Resistance increases as Light moves Right (LIGHT_POS increases).
* Range: 1k (Bright) to 50k (Dark).
R1 VCC VA R = '1k + 49k * (V(LIGHT_POS)/5)'
* ... (truncated in public view) ...

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* Single-axis Solar Tracker Simulation
* Based on Practical Electronics Breadboard Case

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC power supply
V1 VCC 0 DC 9V
* C1: 100 nF capacitor (Decoupling)
C1 VCC 0 100nF

* --- Dynamic Light Stimulus (Virtual Control) ---
* This source simulates the position of the sun moving from Left to Right.
* 0V = Light on Left Sensor, 5V = Light on Right Sensor.
* Sweeps linearly from 0V to 5V over 100ms.
V_LIGHT LIGHT_POS 0 PWL(0 0 100m 5)

* --- Sensors (LDRs) ---
* Modeled as voltage-dependent resistors controlled by LIGHT_POS.
* R1 (Left LDR): Resistance increases as Light moves Right (LIGHT_POS increases).
* Range: 1k (Bright) to 50k (Dark).
R1 VCC VA R = '1k + 49k * (V(LIGHT_POS)/5)'

* R2 (Right LDR): Resistance decreases as Light moves Right.
* Range: 50k (Dark) to 1k (Bright).
R2 VCC VB R = '1k + 49k * (1 - V(LIGHT_POS)/5)'

* --- Voltage Divider Bottom Legs ---
* R3: 10 kΩ resistor for R1
R3 VA 0 10k
* R4: 10 kΩ resistor for R2
R4 VB 0 10k

* --- Comparators (U1: LM358) ---
* U1 is a Dual OpAmp. We define a subcircuit matching the 8-pin DIP pinout.
* Pinout: 1=OutA, 2=In-A, 3=In+A, 4=GND, 5=In+B, 6=In-B, 7=OutB, 8=VCC
* Wiring Guide:
* Comparator A (CW): (+) VA, (-) VB -> Out SIG_CW
* Comparator B (CCW): (+) VB, (-) VA -> Out SIG_CCW
XU1 SIG_CW VB VA 0 VB VA SIG_CCW VCC LM358_DIP8

* --- Motor Driver (U2: L293D) ---
* U2 is an H-Bridge Driver. We define a subcircuit for the used pins.
* Pinout used: 1=EN1, 2=IN1, 3=OUT1, 4/5=GND, 6=OUT2, 7=IN2, 8=VCC2, 16=VCC1
* Wiring Guide:
* IN1=SIG_CW, IN2=SIG_CCW, OUT1=M_POS, OUT2=M_NEG, EN1=VCC
XU2 VCC SIG_CW M_POS 0 0 M_NEG SIG_CCW VCC VCC L293D_BRIDGE

* --- Actuator (M1: 9V DC Gear Motor) ---
* Modeled as a resistive/inductive load.
R_M1 M_POS M_INT 20
L_M1 M_INT M_NEG 5mH

* --- Subcircuit Definitions ---

.subckt LM358_DIP8 OUTA INMA INPA GND INPB INMB OUTB VCC
* Comparator A Behavior (Sigmoid for convergence)
* Output swings approx 0V to VCC-1.5V
B_OUTA OUTA 0 V = (V(VCC)-1.5) / (1 + exp(-50*(V(INPA)-V(INMA)))) + 0.05
* Comparator B Behavior
B_OUTB OUTB 0 V = (V(VCC)-1.5) / (1 + exp(-50*(V(INPB)-V(INMB)))) + 0.05
.ends

.subckt L293D_BRIDGE EN1 IN1 OUT1 GND1 GND2 OUT2 IN2 VCC2 VCC1
* Logic Threshold approx 2.0V.
* Output Voltage ~ VCC2 - 1.4V drop.
* Enable Logic
B_EN node_en 0 V = 1 / (1 + exp(-50*(V(EN1)-2.0)))
* Output 1 (M_POS)
B_O1 OUT1 0 V = V(node_en) * (1/(1+exp(-50*(V(IN1)-2.0)))) * (V(VCC2)-1.4)
* Output 2 (M_NEG)
B_O2 OUT2 0 V = V(node_en) * (1/(1+exp(-50*(V(IN2)-2.0)))) * (V(VCC2)-1.4)
.ends

* --- Simulation Directives ---
.op
* Transient analysis: 100ms duration to capture the full light sweep
.tran 100u 100m

* Print signals to verify logic:
* VA/VB: Sensor Voltages
* SIG_CW/CCW: Comparator Logic Outputs
* M_POS/M_NEG: Motor Drive Voltages
.print tran V(VA) V(VB) V(SIG_CW) V(SIG_CCW) V(M_POS) V(M_NEG) V(LIGHT_POS)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (3024 rows) 
Index   time            v(va)           v(vb)           v(sig_cw)
0	0.000000e+00	8.181818e+00	1.500000e+00	7.550000e+00
1	1.000000e-06	8.181454e+00	1.500012e+00	7.550000e+00
2	2.000000e-06	8.181089e+00	1.500025e+00	7.550000e+00
3	4.000000e-06	8.180361e+00	1.500049e+00	7.550000e+00
4	8.000000e-06	8.178903e+00	1.500098e+00	7.550000e+00
5	1.600000e-05	8.175990e+00	1.500196e+00	7.550000e+00
6	3.200000e-05	8.170168e+00	1.500392e+00	7.550000e+00
7	6.400000e-05	8.158542e+00	1.500784e+00	7.550000e+00
8	1.280000e-04	8.135365e+00	1.501569e+00	7.550000e+00
9	2.280000e-04	8.099394e+00	1.502797e+00	7.550000e+00
10	3.280000e-04	8.063833e+00	1.504028e+00	7.550000e+00
11	4.280000e-04	8.028586e+00	1.505260e+00	7.550000e+00
12	5.280000e-04	7.993645e+00	1.506495e+00	7.550000e+00
13	6.280000e-04	7.959008e+00	1.507732e+00	7.550000e+00
14	7.280000e-04	7.924669e+00	1.508970e+00	7.550000e+00
15	8.280000e-04	7.890626e+00	1.510211e+00	7.550000e+00
16	9.280000e-04	7.856873e+00	1.511454e+00	7.550000e+00
17	1.028000e-03	7.823409e+00	1.512699e+00	7.550000e+00
18	1.128000e-03	7.790228e+00	1.513945e+00	7.550000e+00
19	1.228000e-03	7.757327e+00	1.515194e+00	7.550000e+00
20	1.328000e-03	7.724703e+00	1.516445e+00	7.550000e+00
21	1.428000e-03	7.692352e+00	1.517698e+00	7.550000e+00
22	1.528000e-03	7.660271e+00	1.518953e+00	7.550000e+00
23	1.628000e-03	7.628457e+00	1.520211e+00	7.550000e+00
... (3000 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. LDR colocados demasiado cerca uno del otro:

    • Síntoma: El sistema es insensible y requiere ángulos de luz extremos para reaccionar.
    • Solución: Monta los LDR con una barrera física (un trozo de cartón o plástico) entre ellos para que se proyecte una sombra sobre un LDR cuando la luz no esté perfectamente centrada.

  2. Accionar el motor directamente desde los OpAmps:

    • Síntoma: El motor zumba pero no gira, o el OpAmp se sobrecalienta y falla.
    • Solución: Utiliza siempre una etapa controladora de corriente como el L293D o un puente en H de transistores. Los OpAmps no pueden suministrar la corriente requerida por los motores (típicamente >100 mA).

  3. Falta de banda muerta (Vibración/Jittering):

    • Síntoma: El motor vibra constantemente de un lado a otro cuando la luz está centrada.
    • Solución: Esta topología básica es un controlador «bang-bang» (todo o nada). En diseños avanzados, añade resistencias de histéresis a los OpAmps para crear una pequeña ventana de voltaje donde el motor permanezca apagado.

Solución de problemas

  • El motor gira en la dirección incorrecta:
    • Causa: La polaridad del motor está invertida en relación con la ubicación de los sensores.
    • Arreglo: Intercambia las conexiones de M1 (M_POS y M_NEG) O intercambia físicamente las posiciones de R1 y R2.
  • El motor funciona continuamente incluso con luz igual:
    • Causa: Gran diferencia de tolerancia entre los dos LDR o las resistencias fijas (R3/R4).
    • Arreglo: Reemplaza una resistencia fija (por ejemplo, R3) con un potenciómetro de ajuste de 10k para calibrar el equilibrio del puente manualmente.
  • No pasa nada cuando cambia la luz:
    • Causa: El pin Enable del L293D no está conectado a nivel alto.
    • Arreglo: Asegúrate de que el pin Enable del controlador esté conectado a VCC.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Control de sensibilidad: Reemplaza las resistencias fijas R3 y R4 con un solo potenciómetro multivuelta. Conecta el cursor a tierra y los extremos a los LDR para permitir un ajuste fino del punto central.
  2. Integración de energía solar: Reemplaza V1 con un pequeño panel solar y un circuito de carga para hacer que el seguidor sea autosostenible.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el objetivo principal del circuito descrito en el artículo?




Pregunta 2: ¿Qué componente se utiliza como sensor de luz en este proyecto?




Pregunta 3: ¿Qué sucede con el motor cuando la fuente de luz está equilibrada entre ambos sensores?




Pregunta 4: ¿Cuál es una aplicación en el mundo real mencionada para este tipo de circuito?




Pregunta 5: ¿Qué tipo de bucle de control se construye en este caso práctico?




Pregunta 6: ¿Qué ocurre si el sensor LDR1 está sombreado según el resultado esperado?




Pregunta 7: ¿Qué comportamiento robótico permite este circuito según el texto?




Pregunta 8: ¿Qué componentes electrónicos clave se mencionan para procesar la señal de los sensores?




Pregunta 9: ¿Cómo se aplica este circuito en la domótica?




Pregunta 10: ¿Cuál es la función principal de comparar los niveles de luz de los dos sensores?




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

Sígueme:

Caso práctico: Contador de objetos en cinta transportadora

Prototipo de Contador de objetos en cinta transportadora (Maker Style)

Nivel: Básico – Construye un sistema sensor de interrupción de luz para detectar objetos en movimiento en una línea.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás una barrera óptica utilizando una fotorresistencia (LDR) y un amplificador operacional configurado como comparador de voltaje. El circuito detecta cuando un objeto opaco interrumpe un haz de luz continuo, activando una señal que puede ser contada o procesada.

Por qué es útil:
* Automatización industrial: Se utiliza para contar productos que se mueven en una cinta transportadora.
* Barreras de seguridad: Detecta si una persona u objeto cruza un límite peligroso.
* Alarmas de intrusión: Activa una advertencia cuando se rompe un haz de luz invisible o visible.
* Sistemas de estacionamiento: Detecta la presencia de un vehículo en un lugar específico.

Resultado esperado:
* Estado A (Trayectoria de luz despejada): El sensor recibe luz y el indicador de salida (LED rojo) permanece APAGADO (Lógica Baja).
* Estado B (Objeto detectado): El objeto bloquea la luz, aumentando la resistencia del LDR. El indicador de salida se ENCIENDE (Lógica Alta).
* Umbral de señal: El comparador cambia de estado cuando el voltaje del sensor cruza el voltaje de referencia ajustable (aprox. 2.5 V).

Público objetivo: Nivel Básico

Materiales

  • V1: Fuente de alimentación de 5 V DC, función: alimentación principal del circuito.
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: parte superior del divisor de voltaje para referencia.
  • R2: Resistencia de 10 kΩ, función: parte inferior del divisor de voltaje para referencia.
  • R3: Resistencia de 10 kΩ, función: resistencia pull-up para el nodo del sensor.
  • R4: Fotorresistencia (LDR), función: sensor de detección de luz.
  • R5: Resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente para el LED indicador de salida.
  • R6: Resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente para el LED emisor.
  • D1: LED blanco, función: emisor de luz (simula la fuente del haz).
  • D2: LED rojo, función: indicador de salida (objeto detectado).
  • U1: LM358 o OpAmp similar, función: comparador de voltaje.

Guía de conexionado

Este circuito se basa en comparar dos voltajes: una referencia fija (V_REF) y un voltaje de sensor variable (V_SENSE).

Conexiones de alimentación
* V1 (+) se conecta al nodo VCC.
* V1 (-) se conecta al nodo 0 (GND).
* U1 (Pin 8 / VCC) se conecta a VCC.
* U1 (Pin 4 / GND) se conecta a 0.

Voltaje de referencia (V_REF)
* R1 se conecta entre VCC y V_REF.
* R2 se conecta entre V_REF y 0.
* U1 (Pin 2 / Entrada Inversora) se conecta a V_REF.
* Nota: Esto establece un umbral fijo de 2.5 V.

Voltaje del sensor (V_SENSE)
* R3 se conecta entre VCC y V_SENSE.
* R4 (LDR) se conecta entre V_SENSE y 0.
* U1 (Pin 3 / Entrada No Inversora) se conecta a V_SENSE.
* Lógica: Cuando se bloquea la luz, la resistencia de R4 aumenta, V_SENSE sube. Si V_SENSE > V_REF, la Salida pasa a Alto.

Emisor de luz (Fuente)
* R6 se conecta entre VCC y NODE_EMIT.
* D1 (Ánodo) se conecta a NODE_EMIT.
* D1 (Cátodo) se conecta a 0.
* Coloca D1 físicamente frente a R4 (LDR).

Etapa de salida
* U1 (Pin 1 / Salida) se conecta a V_OUT.
* R5 se conecta entre V_OUT y NODE_LED.
* D2 (Ánodo) se conecta a NODE_LED.
* D2 (Cátodo) se conecta a 0.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — LM358 Light Beam Interruption Logic
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

[ INPUTS / SENSORS ]                     [ LOGIC / PROCESSING ]             [ OUTPUTS ]

    [ LIGHT SOURCE ]
    [ VCC -> R6 -> D1 (White) ]
             |
      (Light Beam Path)
             |
             V
    [ SENSOR DIVIDER ]
    [ VCC -> R3 -> Node -> R4 ] --(V_SENSE)-->+----------------+
    [ (R4=LDR, varies w/ light)]              |   Pin 3 (+)    |
                                              |                |
                                              |    U1 LM358    |
                                              |   (Comparator) | --(Pin 1)--> [ R5 (330) ] --> [ D2 (Red LED) ] --> GND
                                              |                |
    [ REFERENCE DIVIDER ]                     |                |
    [ VCC -> R1 -> Node -> R2 ] --(V_REF)---->|   Pin 2 (-)    |
    [ (Fixed 2.5 V Threshold)  ]               +----------------+
Esquema Eléctrico

Diagrama eléctrico

Diagrama eléctrico — contador de objetos en cinta transportadora
Generado desde la netlist SPICE validada del caso.

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Mediciones y pruebas

  1. Verificación de referencia: Usa un multímetro para medir el voltaje entre V_REF y 0. Debería ser aproximadamente 2.5 V (la mitad de VCC).
  2. Condición de luz (Trayectoria despejada): Asegúrate de que el LED emisor (D1) ilumine el LDR (R4). Mide V_SENSE. Debería ser menor que V_REF (ej. < 2.0 V). El LED de salida (D2) debería estar APAGADO.
  3. Condición de oscuridad (Objeto detectado): Coloca un objeto (cartón o dedo) entre D1 y R4. Mide V_SENSE. Debería subir más alto que V_REF (ej. > 3.0 V). El LED de salida (D2) debería ENCENDERSE.
  4. Salida del comparador: Mide V_OUT relativo a 0. En el estado «Oscuro», debería estar cerca de 3.5 V – 4 V (Alto). En el estado «Luz», debería estar cerca de 0 V (Bajo).

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Practical case: Object counter on conveyor belt

* -----------------------------------------------------------------------------
* Power Supply
* Wiring: V1 (+) to VCC, V1 (-) to 0 (GND)
* -----------------------------------------------------------------------------
V1 VCC 0 DC 5

* -----------------------------------------------------------------------------
* Reference Voltage Divider
* Wiring: R1 between VCC and V_REF, R2 between V_REF and 0
* Function: Sets threshold voltage (approx 2.5V)
* -----------------------------------------------------------------------------
R1 VCC V_REF 10k
R2 V_REF 0 10k

* -----------------------------------------------------------------------------
* Sensor Network
* Wiring: R3 between VCC and V_SENSE, R4 (LDR) between V_SENSE and 0
* Simulation Note: R4 is modeled as a behavioral resistor to simulate the
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Object counter on conveyor belt

* -----------------------------------------------------------------------------
* Power Supply
* Wiring: V1 (+) to VCC, V1 (-) to 0 (GND)
* -----------------------------------------------------------------------------
V1 VCC 0 DC 5

* -----------------------------------------------------------------------------
* Reference Voltage Divider
* Wiring: R1 between VCC and V_REF, R2 between V_REF and 0
* Function: Sets threshold voltage (approx 2.5V)
* -----------------------------------------------------------------------------
R1 VCC V_REF 10k
R2 V_REF 0 10k

* -----------------------------------------------------------------------------
* Sensor Network
* Wiring: R3 between VCC and V_SENSE, R4 (LDR) between V_SENSE and 0
* Simulation Note: R4 is modeled as a behavioral resistor to simulate the
* changing resistance of an LDR when an object blocks the light.
* -----------------------------------------------------------------------------
R3 VCC V_SENSE 10k

* R4 (LDR) Implementation:
* Resistance = 1k (Light/No Object) to 100k (Dark/Object Detected)
* Controlled by dummy voltage source V_OBJ_CTRL
R4 V_SENSE 0 R='1k + 99k / (1 + exp(-50 * (V(V_OBJ_CTRL) - 2.5)))'

* -----------------------------------------------------------------------------
* Light Emitter (Source)
* Wiring: R6 between VCC and NODE_EMIT, D1 Anode to NODE_EMIT, Cathode to 0
* -----------------------------------------------------------------------------
R6 VCC NODE_EMIT 330
D1 NODE_EMIT 0 D_WHITE

* -----------------------------------------------------------------------------
* Comparator (U1: LM358)
* Wiring: Pin 8=VCC, Pin 4=0, Pin 3=V_SENSE (+), Pin 2=V_REF (-), Pin 1=V_OUT
* -----------------------------------------------------------------------------
XU1 V_SENSE V_REF VCC 0 V_OUT LM358_COMP

* -----------------------------------------------------------------------------
* Output Stage
* Wiring: R5 between V_OUT and NODE_LED, D2 Anode to NODE_LED, Cathode to 0
* -----------------------------------------------------------------------------
R5 V_OUT NODE_LED 330
D2 NODE_LED 0 D_RED

* -----------------------------------------------------------------------------
* Dynamic Stimuli (Object Simulation)
* This source drives the behavioral LDR (R4).
* Logic: 0V = Clear (Light), 5V = Object (Dark)
* Timing: Wait 50us, Pulse High for 100us, Repeat every 300us
* -----------------------------------------------------------------------------
V_OBJ V_OBJ_CTRL 0 PULSE(0 5 50u 10u 10u 100u 300u)

* -----------------------------------------------------------------------------
* Models and Subcircuits
* -----------------------------------------------------------------------------
.model D_WHITE D(IS=1e-14 N=4 RS=10) ; High Vf simulation for White LED
.model D_RED D(IS=1e-12 N=2 RS=5)    ; Standard Red LED

* Behavioral OpAmp Subcircuit (Comparator)
* Pinout Order: Non-Inv(+), Inv(-), VCC, GND, Output
.subckt LM358_COMP P M V_POS V_NEG OUT
  * Sigmoid function for robust switching behavior (Rail-to-Rail logic approx)
  * V(OUT) approaches V_POS when P > M, V_NEG when P < M
  B1 OUT 0 V = V(V_POS) * (1 / (1 + exp(-100 * (V(P) - V(M)))))
.ends

* -----------------------------------------------------------------------------
* Analysis Directives
* -----------------------------------------------------------------------------
.op
.tran 1u 500u

* Print required signals for batch processing
.print tran V(V_SENSE) V(V_REF) V(V_OUT) V(V_OBJ_CTRL)

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (1064 rows) 
Index   time            v(v_sense)      v(v_ref)        v(v_out)
0	0.000000e+00	4.545455e-01	2.500000e+00	7.345271e-89
1	1.000000e-08	4.545455e-01	2.500000e+00	7.345271e-89
2	2.000000e-08	4.545455e-01	2.500000e+00	7.345271e-89
3	4.000000e-08	4.545455e-01	2.500000e+00	7.345271e-89
4	8.000000e-08	4.545455e-01	2.500000e+00	7.345271e-89
5	1.600000e-07	4.545455e-01	2.500000e+00	7.345271e-89
6	3.200000e-07	4.545455e-01	2.500000e+00	7.345271e-89
7	6.400000e-07	4.545455e-01	2.500000e+00	7.345271e-89
8	1.280000e-06	4.545455e-01	2.500000e+00	7.345271e-89
9	2.280000e-06	4.545455e-01	2.500000e+00	7.345271e-89
10	3.280000e-06	4.545455e-01	2.500000e+00	7.345271e-89
11	4.280000e-06	4.545455e-01	2.500000e+00	7.345271e-89
12	5.280000e-06	4.545455e-01	2.500000e+00	7.345271e-89
13	6.280000e-06	4.545455e-01	2.500000e+00	7.345271e-89
14	7.280000e-06	4.545455e-01	2.500000e+00	7.345271e-89
15	8.280000e-06	4.545455e-01	2.500000e+00	7.345271e-89
16	9.280000e-06	4.545455e-01	2.500000e+00	7.345271e-89
17	1.028000e-05	4.545455e-01	2.500000e+00	7.345271e-89
18	1.128000e-05	4.545455e-01	2.500000e+00	7.345271e-89
19	1.228000e-05	4.545455e-01	2.500000e+00	7.345271e-89
20	1.328000e-05	4.545455e-01	2.500000e+00	7.345271e-89
21	1.428000e-05	4.545455e-01	2.500000e+00	7.345271e-89
22	1.528000e-05	4.545455e-01	2.500000e+00	7.345271e-89
23	1.628000e-05	4.545455e-01	2.500000e+00	7.345271e-89
... (1040 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  • Intercambiar entradas del OpAmp: Conectar la Referencia a la entrada No Inversora (+) en lugar de la Inversora (-) invertirá la lógica (el LED se APAGA cuando se detecta el objeto). Asegúrate de que V_SENSE vaya al pin No Inversor (+) para la «Detección de Oscuridad».
  • Interferencia de luz ambiental: El LDR es muy sensible. Si la habitación es brillante, el estado «Oscuro» podría no ser lo suficientemente oscuro para activar el umbral. Usa un pequeño tubo o cinta para proteger el LDR.
  • Colocación incorrecta del LDR: Si el LDR (R4) se coloca en la rama superior del divisor de voltaje (intercambiado con R3), la lógica se invierte. Asegúrate de que R4 se conecte a Tierra (0).

Solución de problemas

  • El LED de salida nunca se ENCIENDE:
    • Verifica si el objeto realmente bloquea la luz completamente.
    • Mide V_SENSE. Si nunca supera los 2.5 V, aumenta el valor de R3 (ej. a 22 kΩ) para aumentar la sensibilidad del voltaje.
  • El LED de salida nunca se APAGA:
    • El LDR podría estar recibiendo luz insuficiente del Emisor.
    • Verifica la alineación de D1 y R4.
    • Mide V_REF. Si R1 está desconectada, V_REF podría ser 0 V, causando que la salida permanezca en Alto.
  • La salida parpadea:
    • La fuente de luz podría ser inestable, o el voltaje está oscilando exactamente en el umbral. Añade un condensador de desacoplo (ej. 100 nF) a través de los rieles de alimentación cerca del OpAmp.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Sensibilidad ajustable: Reemplaza R1 o R2 con un potenciómetro de 10 kΩ. Esto te permite ajustar finamente el umbral V_REF para trabajar en diferentes condiciones de luz ambiental.
  2. Histéresis (Trigger de Schmitt): Añade una resistencia de retroalimentación de alto valor (ej. 1 MΩ) entre la Salida (V_OUT) y la entrada No Inversora (V_SENSE). Esto evita que el LED parpadee si el objeto se mueve lentamente a través del haz.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el componente principal utilizado para detectar la luz en este circuito?




Pregunta 2: ¿Qué función cumple el amplificador operacional en este diseño?




Pregunta 3: ¿Qué sucede en el 'Estado B' cuando un objeto bloquea la luz?




Pregunta 4: ¿Cuál es una aplicación práctica mencionada para este sistema?




Pregunta 5: ¿Cómo se comporta el LED indicador cuando la trayectoria de luz está despejada (Estado A)?




Pregunta 6: ¿Qué ocurre con la resistencia del LDR cuando un objeto bloquea la luz?




Pregunta 7: ¿Cuál es el propósito principal de este circuito según el contexto?




Pregunta 8: ¿Qué tipo de lógica de salida se genera cuando se detecta un objeto?




Pregunta 9: ¿Qué componente actúa como indicador visual de la salida?




Pregunta 10: ¿En qué tipo de sistema de seguridad podría usarse este circuito?




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

Sígueme:

Caso práctico: Medidor de intensidad de luz simple

Prototipo de Medidor de intensidad de luz simple (Maker Style)

Nivel: Básico – Construye un circuito donde un LED se atenúa a medida que aumenta la luz ambiental.

Objetivo y caso de uso

Construirás un circuito de sensor de luz analógico simple utilizando una fotorresistencia (LDR) en una configuración donde la salida de luz es inversamente proporcional a la intensidad de la luz ambiental. Esto crea un efecto de «Sensor de oscuridad» sin usar transistores.

Por qué es útil:
* Iluminación automática: Simula farolas o luces nocturnas que se encienden automáticamente cuando oscurece.
* Eficiencia de la batería: Asegura que los indicadores solo estén activos durante condiciones de poca luz cuando la visibilidad es pobre.
* Sistemas de seguridad: Puede detectar si un contenedor sellado o una habitación oscura ha sido vulnerada por la luz.
* Demostración de concepto: Demuestra la división de corriente y componentes de resistencia no lineal en circuitos paralelos.

Resultado esperado:
* Condición de oscuridad: La resistencia del LDR es alta, forzando la corriente a través del LED. El LED rojo se ENCIENDE.
* Condición de luz brillante: La resistencia del LDR cae significativamente, desviando la corriente del LED. El LED rojo se APAGA o se atenúa significativamente.
* Cambio de voltaje: Medirás una caída de voltaje en el nodo compartido a medida que aumenta la luz.
* Público objetivo: Principiantes y estudiantes familiarizados con el montaje básico en protoboard.

Materiales

  • V1: Suministro de 5 V CC, función: fuente de alimentación principal
  • R1: Resistencia de 470 Ω, función: limitación de corriente y rama superior del divisor de voltaje
  • R2: LDR (GL5528 o similar), función: sensor de luz ambiental (resistencia variable)
  • D1: LED rojo, función: indicador de baja luz

Guía de conexionado

Usaremos una topología de «shunt de corriente» (derivación de corriente). El LDR se coloca en paralelo con el LED.

  • VCC: Conecta el terminal positivo de V1 a un lado de R1.
  • VA: Conecta el otro lado de R1 al Ánodo (patilla larga) de D1.
  • VA: Conecta una patilla de R2 (LDR) al mismo nodo (Ánodo de D1).
  • 0 (GND): Conecta el Cátodo (lado plano/patilla corta) de D1 al terminal negativo de V1.
  • 0 (GND): Conecta la patilla restante de R2 (LDR) al terminal negativo de V1.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — Light Intensity Indicator
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

[ POWER SOURCE ]              [ CURRENT LIMITER ]               [ SHUNT TOPOLOGY ]

                                                +--> [ D1: Red LED ] --> GND
                                                              |    (Output Indicator)
    [ V1: 5 V DC ] --(+)--> [ R1: 470 Ω ] --(Node VA)--> [ + ]
                                                              |
                                                              +--> [ R2: LDR ] --> GND
                                                                   (Light Sensor)
Esquema Eléctrico

Diagrama eléctrico

Diagrama eléctrico del caso: Medidor simple de intensidad luminosa
Generado desde la netlist SPICE validada del caso.

🔒 Este diagrama eléctrico es premium. Con el pase de 7 días o la suscripción mensual podrás desbloquear el material didáctico completo y el pack PDF listo para imprimir.🔓 Ver planes de acceso premium

Mediciones y pruebas

Para validar que el circuito se comporta inversamente a la intensidad de la luz:

  1. Configurar el multímetro: Selecciona el modo de Voltaje CC (rango de 20 V).
  2. Conectar las sondas: Coloca la sonda Roja en el nodo VA (Ánodo del LED) y la sonda Negra en 0 (GND).
  3. Prueba 1 (Luz ambiental/brillante):
    • Expón el LDR a una luz brillante.
    • Observación: El LED debe estar TENUE o APAGADO.
    • Medición: El voltaje en VA debe caer por debajo del voltaje directo del LED (probablemente < 1.5 V). La baja resistencia del LDR desvía la corriente a tierra.
  4. Prueba 2 (Oscuridad):
    • Cubre el LDR completamente con tu dedo o una tapa.
    • Observación: El LED debe encenderse BRILLANTEMENTE.
    • Medición: El voltaje en VA debe subir al voltaje directo del LED (aprox. 1.8 V a 2.0 V para un LED rojo). La alta resistencia del LDR fuerza la corriente a través del LED.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Practical case: Simple light intensity meter

* --- Models ---
* Generic Red LED Model
* Parameters: IS=saturation current, N=emission coefficient, RS=series resistance
* BV=breakdown voltage, IBV=breakdown current, CJO=junction capacitance
.model DLED D(IS=1e-14 N=2 RS=10 BV=5 IBV=10u CJO=20p)

* --- Power Supply ---
* V1: 5V DC supply (Main power source)
* Connected between VCC and GND (0)
V1 VCC 0 DC 5

* --- Circuit Components ---
* R1: 470 Ohm resistor
* Function: Current limiting and voltage divider upper leg
* Wiring: Connects Positive Terminal of V1 (VCC) to Node VA
R1 VCC VA 470

* D1: Red LED
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Simple light intensity meter

* --- Models ---
* Generic Red LED Model
* Parameters: IS=saturation current, N=emission coefficient, RS=series resistance
* BV=breakdown voltage, IBV=breakdown current, CJO=junction capacitance
.model DLED D(IS=1e-14 N=2 RS=10 BV=5 IBV=10u CJO=20p)

* --- Power Supply ---
* V1: 5V DC supply (Main power source)
* Connected between VCC and GND (0)
V1 VCC 0 DC 5

* --- Circuit Components ---
* R1: 470 Ohm resistor
* Function: Current limiting and voltage divider upper leg
* Wiring: Connects Positive Terminal of V1 (VCC) to Node VA
R1 VCC VA 470

* D1: Red LED
* Function: Low-light indicator
* Wiring: Anode to Node VA, Cathode to Negative Terminal of V1 (0)
D1 VA 0 DLED

* R2: LDR (GL5528 or similar)
* Function: Ambient light sensor (variable resistor)
* Wiring: Connects Node VA to Negative Terminal of V1 (0)
* Note: Modeled as a behavioral resistor where Resistance = V(V_LDR_CTRL).
* This allows simulating the change from Light (Low R) to Dark (High R).
R2 VA 0 R='V(V_LDR_CTRL)'

* --- Dynamic Stimuli (Simulation Only) ---
* V_LDR_SRC: Generates a voltage signal representing the LDR resistance in Ohms.
* Logic: 
*   - 100V (representing 100 Ohms) = Bright Light -> V(VA) drops -> LED OFF
*   - 10kV (representing 10k Ohms) = Dark -> V(VA) rises -> LED ON
* Timing: Fast pulse to demonstrate switching.
* PULSE(v1 v2 td tr tf pw per)
V_LDR_SRC V_LDR_CTRL 0 PULSE(100 10000 10u 100u 100u 500u 1000u)

* --- Analysis Directives ---
* Transient analysis: 5us step size, 2ms duration
.tran 5u 2ms

* Print specific nodes to verify operation
* V(VA): Voltage at the LED/LDR node (Should swing between ~0.8V and ~1.8V)
* V(V_LDR_CTRL): The resistance value being simulated
.print tran V(VA) V(V_LDR_CTRL)

.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (441 rows) 
Index   time            v(va)           v(v_ldr_ctrl)
0	0.000000e+00	8.771739e-01	1.000000e+02
1	5.000000e-08	8.771739e-01	1.000000e+02
2	1.000000e-07	8.771739e-01	1.000000e+02
3	2.000000e-07	8.771739e-01	1.000000e+02
4	4.000000e-07	8.771739e-01	1.000000e+02
5	8.000000e-07	8.771739e-01	1.000000e+02
6	1.600000e-06	8.771739e-01	1.000000e+02
7	3.200000e-06	8.771739e-01	1.000000e+02
8	6.400000e-06	8.771739e-01	1.000000e+02
9	1.000000e-05	8.771739e-01	1.000000e+02
10	1.016024e-05	9.861073e-01	1.158634e+02
11	1.048071e-05	1.182699e+00	1.475902e+02
12	1.112165e-05	1.342799e+00	2.110437e+02
13	1.175485e-05	1.386540e+00	2.737299e+02
14	1.276008e-05	1.418826e+00	3.732481e+02
15	1.399489e-05	1.436968e+00	4.954940e+02
16	1.646450e-05	1.455127e+00	7.399857e+02
17	2.140373e-05	1.468889e+00	1.228969e+03
18	2.640373e-05	1.474732e+00	1.723969e+03
19	3.140373e-05	1.478748e+00	2.218969e+03
20	3.640373e-05	1.480441e+00	2.713969e+03
21	4.140373e-05	1.481529e+00	3.208969e+03
22	4.640373e-05	1.482571e+00	3.703969e+03
23	5.140373e-05	1.483189e+00	4.198969e+03
... (417 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Colocar componentes en serie:
    • Error: Cablear Fuente -> Resistencia -> LDR -> LED -> Tierra.
    • Resultado: Esto crea un «Sensor de luz» (luz más brillante = LED más brillante), que es lo opuesto al objetivo.
    • Solución: Asegúrate de que el LDR esté en paralelo con el LED (compartiendo los mismos nodos de inicio y fin).
  2. Usar un valor de resistencia demasiado alto para R1:
    • Error: Usar una resistencia de 10 kΩ para R1.
    • Resultado: El LED nunca se enciende brillantemente incluso en oscuridad total porque la corriente está demasiado restringida.
    • Solución: Usa de 330 Ω a 470 Ω para una fuente de 5 V para asegurar suficiente corriente para el LED cuando el LDR tiene alta resistencia.
  3. Esperar un interruptor de Encendido/Apagado «Duro»:
    • Error: Esperar una conmutación tipo digital.
    • Resultado: El LED se atenúa gradualmente en lugar de apagarse de golpe.
    • Solución: Entiende que este es un circuito analógico pasivo. Para una acción de «golpe» duro, se requeriría un transistor o comparador.

Solución de problemas

  • Síntoma: El LED está siempre ENCENDIDO, incluso con luz brillante.
    • Causa: El valor de R1 es demasiado bajo, o el LDR tiene una resistencia muy alta incluso con luz (o está desconectado).
    • Arreglo: Revisa las conexiones del LDR. Si son correctas, aumenta R1 a 1 kΩ para facilitar que el LDR baje el voltaje.
  • Síntoma: El LED está siempre APAGADO.
    • Causa: LED cableado al revés o R1 es demasiado alta.
    • Arreglo: Invierte la orientación del LED. Asegúrate de que R1 sea < 1 kΩ.
  • Síntoma: La fuente se calienta.
    • Causa: Cortocircuito. Probablemente R1 fue omitida, conectando VCC directamente al LDR o al LED.
    • Arreglo: Asegúrate de que R1 esté estrictamente entre VCC y el nodo VA.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Ajuste de sensibilidad: Reemplaza R1 con un potenciómetro de 1 kΩ para sintonizar exactamente qué tan oscuro debe estar antes de que el LED se encienda.
  2. Mezcla de colores: Pon un LED verde en serie con el LDR (en lugar de paralelo). A medida que aumenta la luz, el LED verde se vuelve más brillante mientras que el LED rojo (paralelo) se atenúa, creando un monitor de luz con cambio de color.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el objetivo principal del circuito descrito en el artículo?




Pregunta 2: ¿Qué componente actúa como sensor de luz ambiental en este circuito?




Pregunta 3: ¿Qué sucede con la resistencia del LDR en una condición de oscuridad?




Pregunta 4: ¿Cómo se comporta el LED rojo en condiciones de luz brillante según el resultado esperado?




Pregunta 5: ¿Qué principio eléctrico demuestra este circuito como concepto?




Pregunta 6: ¿Por qué es útil este circuito para la eficiencia de la batería?




Pregunta 7: ¿Qué ocurre con la corriente en condiciones de luz brillante?




Pregunta 8: ¿Qué aplicación de seguridad se menciona para este circuito?




Pregunta 9: ¿Qué tipo de relación existe entre la salida de luz del LED y la intensidad de la luz ambiental?




Pregunta 10: ¿Qué nivel de dificultad se asigna a este proyecto según el contexto?




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

Sígueme:

Caso práctico: Sensor de alarma para cajón secreto

Prototipo de Sensor de alarma para cajón secreto (Maker Style)

Nivel: Básico — Construye un circuito que active un zumbador cuando detecte luz al abrir un cajón oscuro.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un sistema de alarma sensible a la luz utilizando una fotorresistencia (LDR) y un controlador de transistor. El circuito permanece en silencio en la oscuridad, pero activa una alarma sonora inmediatamente cuando la luz incide sobre el sensor.

  • Seguridad: Protege cajones o cajas privadas alertándote si son abiertos.
  • Protección: Puede usarse para señalar si la puerta de un refrigerador o despensa no está completamente cerrada.
  • Automatización: Demuestra cómo utilizar entradas ambientales (luz) para controlar dispositivos de salida (sonido).

Resultado esperado:
* Oscuridad (Cajón cerrado): El zumbador permanece APAGADO (0 V a través del zumbador).
* Luz (Cajón abierto): El zumbador se ENCIENDE inmediatamente.
* Umbral: El transistor conmuta la carga cuando el voltaje de base excede aproximadamente 0.6 V–0.7 V.
* Público objetivo: Principiantes y aficionados que aprenden sobre la interfaz de sensores.

Materiales

  • V1: Batería de 9 V CC o fuente de alimentación, función: Fuente de alimentación principal.
  • R1: Fotorresistencia (LDR) GL5528, función: Detecta la intensidad de la luz (resistencia variable).
  • R2: Resistencia de 10 kΩ, función: Resistencia pull-down para formar un divisor de voltaje.
  • Q1: Transistor NPN 2N2222, función: Interruptor electrónico para accionar el zumbador.
  • LS1: Zumbador piezoeléctrico activo de 9 V, función: Salida de alarma sonora.
  • SW1: Interruptor de palanca SPST, función: Interruptor maestro de encendido/apagado (opcional).

Guía de conexionado

Construye el circuito conectando los componentes entre los nodos específicos definidos a continuación. Utiliza una protoboard para un fácil montaje.

  • VCC: Conecta el terminal positivo de V1 y un lado de SW1. Conecta el otro lado de SW1 al riel principal VCC.
  • 0 (GND): Conecta el terminal negativo de V1, el Emisor de Q1 y una pata de R2.
  • V_BASE: Conecta la otra pata de R2, una pata de R1 y la Base de Q1.
  • VCC (Conexión): Conecta la otra pata de R1 al riel VCC.
  • V_COLLECTOR: Conecta el Colector de Q1 al cable negativo de LS1.
  • VCC (Carga): Conecta el cable positivo de LS1 al riel VCC.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — Light-Triggered Alarm
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

[ INPUTS / POWER ]                  [ LOGIC / CONTROL ]                     [ OUTPUT ]

                                             (VCC Rail)
    [ 9 V Battery ] --> [ SW1 Switch ] --+------->+----------------------------------+
                                        |        |                                  |
                                        |        v                                  v
    [ Light Source ] --> [ LDR (R1) ] --+--> [ Voltage Divider ]                    |
                         (Sensor)            [ (Node: V_BASE)  ] --(Trigger)--> [ Q1 Transistor ]
                                       +--> [ R1 vs R2 Logic  ]                [ (NPN Switch)  ] --(Ground Path)--> [ LS1 Buzzer ]
                                        |                                       [ Collector Pin ]                    (Active Alarm)
    [ Resistor R2 ] ----(Pull-Down)-----+                                           |
    (10k Ohm)                                                                       v
                                                                                 [ GND ]
Esquema Eléctrico

Diagrama eléctrico

Diagrama electrico del caso: Sensor de alarma para cajon secreto
Generado desde la netlist SPICE validada del caso.

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Mediciones y pruebas

Sigue estos pasos para validar el funcionamiento del circuito:

  1. Comprobación de resistencia del LDR:
    • Configura tu multímetro para medir Resistencia (Ω).
    • Mide R1 a plena luz; debería leer un valor bajo (p. ej., 500 Ω – 2 kΩ).
    • Cubre R1 completamente; debería leer un valor alto (p. ej., > 100 kΩ).
  2. Prueba del divisor de voltaje:
    • Enciende el circuito (VCC = 9 V).
    • Configura el multímetro en Voltaje CC. Conecta la sonda negra a 0 (GND) y la sonda roja a V_BASE.
    • En oscuridad: El voltaje debería estar cerca de 0 V (por debajo de 0.6 V).
    • En luz: El voltaje debería aumentar significativamente (por encima de 0.7 V).
  3. Verificación de salida:
    • Expón el sensor a la luz. El zumbador LS1 debería sonar.
    • Cubre el sensor con tu mano. El zumbador debería detenerse inmediatamente.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Practical case: Secret drawer alarm sensor
* Ngspice Netlist
*
* Circuit Description:
* A light-activated alarm using a photoresistor (LDR) and an NPN transistor.
* When the drawer opens (Light), LDR resistance drops, Base voltage rises,
* Q1 turns ON, and the Buzzer sounds.
*
* Simulation Scenario:
* 0ms - 2ms: System OFF (Master Switch Open).
* 2ms: Master Switch closes (System Armed). Drawer is Closed (Dark).
* 5ms: Drawer Opens (Light hits LDR). Alarm triggers.

* --- Power Supply (V1) ---
* 9V DC Battery
V1 BAT_POS 0 DC 9

* --- Master Switch (SW1) ---
* Connects Battery Positive to Main VCC Rail.
* Modeled as a voltage-controlled switch closing at t=2ms.
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Secret drawer alarm sensor
* Ngspice Netlist
*
* Circuit Description:
* A light-activated alarm using a photoresistor (LDR) and an NPN transistor.
* When the drawer opens (Light), LDR resistance drops, Base voltage rises,
* Q1 turns ON, and the Buzzer sounds.
*
* Simulation Scenario:
* 0ms - 2ms: System OFF (Master Switch Open).
* 2ms: Master Switch closes (System Armed). Drawer is Closed (Dark).
* 5ms: Drawer Opens (Light hits LDR). Alarm triggers.

* --- Power Supply (V1) ---
* 9V DC Battery
V1 BAT_POS 0 DC 9

* --- Master Switch (SW1) ---
* Connects Battery Positive to Main VCC Rail.
* Modeled as a voltage-controlled switch closing at t=2ms.
S1 BAT_POS VCC CTRL_SW 0 SW_MODEL
V_SW_CTRL CTRL_SW 0 PULSE(0 5 2ms 1u 1u 100ms)
.model SW_MODEL SW(Vt=2.5 Ron=0.01 Roff=100Meg)

* --- Photoresistor (R1 / LDR) ---
* LDR GL5528 connecting VCC to Base.
* Modeled as a behavioral resistor B_R1.
* Resistance logic controlled by V_LDR_RES:
*   Dark (Closed) = 1 MegOhm
*   Light (Open)  = 2 kOhm
* Simulation: Transitions from Dark to Light at t=5ms.
V_LDR_RES RES_CTRL 0 PWL(0 1Meg 4.99ms 1Meg 5ms 2k)
B_R1 VCC V_BASE I=(V(VCC) - V(V_BASE)) / V(RES_CTRL)

* --- Resistor (R2) ---
* 10k Ohm pull-down resistor from Base to Ground.
R2 V_BASE 0 10k

* --- Transistor (Q1) ---
* 2N2222 NPN Transistor acting as the switch for the buzzer.
* Connections: Collector=V_COLLECTOR, Base=V_BASE, Emitter=0
Q1 V_COLLECTOR V_BASE 0 2N2222MOD

* --- Buzzer (LS1) ---
* 9V Active Piezo Buzzer.
* Modeled as a 1k Ohm resistive load connected between VCC and Collector.
* (Not modeled as a voltage source per requirements).
R_LS1 VCC V_COLLECTOR 1k

* --- Component Models ---
.model 2N2222MOD NPN(Is=14.34f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=74.03 Bf=255.9 Ne=1.307 Ise=14.34f Ikf=.2847 Xtb=1.5 Br=6.092 Nc=2 Isc=0 Ikr=0 Rc=1 Cjc=7.306p Mjc=.3416 Vjc=.75 Fc=.5 Cje=22.01p Mje=.377 Vje=.75 Tr=46.91n Tf=411.1p Itf=.6 Vtf=1.7 Xtf=3 Rb=10)

* --- Analysis Directives ---
.op
* Transient analysis for 10ms to capture the sequence.
.tran 10u 10ms

* Print directives to verify operation
* V(VCC): Power rail status
* V(V_BASE): Transistor drive voltage (Low=Dark, High=Light)
* V(V_COLLECTOR): Output node (High=Off, Low=Alarm On)
.print tran V(VCC) V(V_BASE) V(V_COLLECTOR)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (1057 rows) 
Index   time            v(vcc)          v(v_base)       v(v_collector)
0	0.000000e+00	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
1	1.000000e-07	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
2	2.000000e-07	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
3	4.000000e-07	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
4	8.000000e-07	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
5	1.600000e-06	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
6	3.200000e-06	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
7	6.400000e-06	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
8	1.280000e-05	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
9	2.280000e-05	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
10	3.280000e-05	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
11	4.280000e-05	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
12	5.280000e-05	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
13	6.280000e-05	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
14	7.280000e-05	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
15	8.280000e-05	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
16	9.280000e-05	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
17	1.028000e-04	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
18	1.128000e-04	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
19	1.228000e-04	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
20	1.328000e-04	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
21	1.428000e-04	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
22	1.528000e-04	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
23	1.628000e-04	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
... (1033 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Invertir el divisor de voltaje: Si intercambias R1 (LDR) y R2 (Resistencia fija), la alarma sonará en la oscuridad y se detendrá con la luz (lógica inversa). Asegúrate de que R1 esté conectada a VCC y R2 a GND.
  2. Usar un zumbador pasivo: Un zumbador pasivo requiere una señal de CA oscilante para emitir sonido. Este circuito proporciona CC. Debes usar un Zumbador activo (que tiene un oscilador interno).
  3. Errores en el pin-out del transistor: Confundir el Colector (C) y el Emisor (E) es común. Para el 2N2222 en un encapsulado TO-92, verifica la hoja de datos del pin-out; generalmente, con el lado plano hacia ti, los pines son E-B-C o E-B-C dependiendo del fabricante.

Solución de problemas

  • El zumbador suena continuamente (incluso en la oscuridad):
    • La luz ambiental es demasiado fuerte. Coloca el circuito en una caja.
    • El valor de R2 es demasiado alto. Intenta reemplazar R2 con un valor más bajo (p. ej., 4.7 kΩ) para reducir el voltaje de base con más fuerza.
  • El zumbador nunca suena:
    • El valor de R2 es demasiado bajo.
    • LS1 está conectado al revés (verifica la polaridad).
    • Q1 está dañado o conectado incorrectamente.
  • El zumbador suena muy bajo:
    • El voltaje de la batería podría ser bajo.
    • Asegúrate de que el zumbador esté clasificado para el voltaje de alimentación utilizado (9 V).

Posibles mejoras y extensiones

  1. Control de sensibilidad: Reemplaza la resistencia fija R2 con un potenciómetro de 50 kΩ. Esto te permite ajustar con precisión cuánta luz se necesita para activar la alarma.
  2. Alarma con enclavamiento: Añade un Rectificador Controlado de Silicio (SCR) en lugar del transistor NPN, o añade un bucle de retroalimentación. Esto mantendría la alarma sonando incluso si el ladrón cierra rápidamente el cajón de nuevo, forzando un reinicio manual.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el objetivo principal del circuito descrito en el artículo?




Pregunta 2: ¿Qué componente se utiliza para detectar la intensidad de la luz?




Pregunta 3: ¿Qué función cumple el transistor en este circuito?




Pregunta 4: ¿Cuál es el resultado esperado cuando el cajón está cerrado y en oscuridad?




Pregunta 5: ¿A qué voltaje de base aproximado conmuta la carga el transistor?




Pregunta 6: ¿Qué tipo de entrada utiliza este circuito para la automatización?




Pregunta 7: ¿Qué voltaje de alimentación (V1) se sugiere en los materiales?




Pregunta 8: ¿Cuál de los siguientes es un caso de uso mencionado para este circuito?




Pregunta 9: ¿Qué sucede inmediatamente cuando la luz incide sobre el sensor LDR?




Pregunta 10: ¿Para qué público objetivo está diseñado este proyecto?




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

Sígueme:

Caso práctico: Interruptor crepuscular automático

Prototipo de Interruptor crepuscular automático (Maker Style)

Nivel: Básico. Construye un circuito que encienda automáticamente un LED cuando la luz ambiental caiga por debajo de un nivel específico.

Objetivo y caso de uso

Diseñarás y montarás un circuito sensor de luz utilizando una fotorresistencia (LDR) y un transistor para controlar un LED según el brillo ambiental. El circuito actúa como una puerta lógica NOT en relación con la intensidad de la luz: Luz = Salida OFF (apagada), Oscuridad = Salida ON (encendida).

Por qué es útil:
* Alumbrado público: Automatizar farolas para que se enciendan solo por la noche para ahorrar energía.
* Luces de jardín: Luminarias solares de jardín que se activan al anochecer.
* Sistemas de seguridad: Activar grabación o iluminación con poca luz.
* Eficiencia de pantallas: Ajustar el brillo de la pantalla o la retroiluminación según las condiciones de la habitación.

Resultado esperado:
* Cuando la LDR está expuesta a luz brillante, el LED permanece OFF (apagado).
* Cuando se cubre la LDR (simulando oscuridad), el LED se pone en ON (encendido).
* El voltaje en la base del transistor (V_BASE) aumenta a medida que disminuye la intensidad de la luz.

Público objetivo: Principiantes que aprenden sobre sensores y conmutación con transistores.

Materiales

  • V1: Batería de 9 V CC o fuente de alimentación.
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: rama superior del divisor de voltaje (pull-up).
  • R2: LDR (Fotorresistencia), GL5528 o similar, función: sensor de luz (rama inferior).
  • R3: Resistencia de 470 Ω, función: limitación de corriente del LED.
  • Q1: Transistor NPN 2N3904, función: interruptor electrónico.
  • D1: LED rojo, función: indicador de salida.

Guía de conexionado

Construye el circuito siguiendo estas conexiones utilizando los nombres de nodo específicos:

  • Fuente de alimentación:

    • V1 (+): Se conecta al nodo VCC.
    • V1 (-): Se conecta al nodo 0 (GND).

  • Etapa del sensor (Divisor de voltaje):

    • R1 (10 kΩ): Se conecta entre VCC y el nodo V_BASE.
    • R2 (LDR): Se conecta entre el nodo V_BASE y 0 (GND).

  • Etapa de conmutación:

    • Q1 (Base): Se conecta al nodo V_BASE.
    • Q1 (Emisor): Se conecta al nodo 0 (GND).
    • Q1 (Colector): Se conecta al nodo N_LED_CATHODE.

  • Etapa de salida:

    • R3 (470 Ω): Se conecta entre VCC y el nodo N_LED_ANODE.
    • D1 (Ánodo): Se conecta al nodo N_LED_ANODE.
    • D1 (Cátodo): Se conecta al nodo N_LED_CATHODE.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — Light-Controlled Switch
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

[ SENSOR STAGE ]                   [ SWITCHING STAGE ]                 [ OUTPUT STAGE ]

   [ VCC 9 V Source ]
          |
          v
   [ R1: 10k Pull-Up ]
          |
          v
   [ Node: V_BASE  ] --(Trigger)--> [ Base: Q1 (2N3904)   ]
          |                         [                     ]
          v                         [ Coll: N_LED_CATHODE ] --(Sink)--> [ Cathode: D1 LED ]
   [ R2: LDR Sensor ]               [                     ]             [ Node: N_LED_ANODE ]
          |                         [ Emit: GND           ]             [ Anode:   D1 LED   ]
          v                                                             [         ^         ]
       [ GND ]                                                          [         |         ]
                                                                        [ R3: 470 Resistor  ]
                                                                                  ^
                                                                                  |
                                                                             [ VCC 9 V ]
Esquema Eléctrico

Diagrama eléctrico

Diagrama electrico del caso: Interruptor crepuscular automatico
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Mediciones y pruebas

Para validar el funcionamiento del circuito, realiza los siguientes pasos con un multímetro:

  1. Condición de luz (Simulación): Ilumina R2 (LDR) con una linterna o asegúrate de que la habitación esté iluminada.

    • Mide el voltaje en V_BASE con respecto a 0 (GND). Debería ser bajo (< 0.6 V).
    • Observa D1: Debería estar OFF (apagado).
    • Mide el voltaje en N_LED_CATHODE con respecto a 0 (GND). Debería estar cerca de VCC (flotando alto a través del LED).

  2. Condición de oscuridad (Simulación): Cubre R2 (LDR) completamente con tu dedo o una tapa.

    • Mide el voltaje en V_BASE. Debería subir por encima de 0.7 V.
    • Observa D1: Debería ponerse en ON (encendido).
    • Mide el voltaje en N_LED_CATHODE (Colector). Debería caer cerca de 0 V (Voltaje de saturación, aprox. 0.1 V – 0.2 V).

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Practical case: Automatic twilight switch
* 
* This netlist implements a twilight switch where an LED turns ON
* when the light level drops (simulated by increasing LDR resistance).

* --- Models ---
* Standard NPN Transistor Model
.model 2N3904 NPN(IS=1E-14 VAF=100 BF=200 IKF=0.3 XTB=1.5 BR=3 CJC=8E-12 CJE=25E-12 TR=460E-9 TF=400E-12 ITF=0.6 VTF=10 XTF=30 RB=10 RC=1 RE=0.1)
* Generic Red LED Model (Vf approx 1.8V)
.model LED_RED D(IS=1e-14 N=2.5 RS=5 BV=5 IBV=10u)

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC source connected to VCC and GND (0)
V1 VCC 0 DC 9

* --- Sensor Stage (Voltage Divider) ---
* R1: 10 kΩ Pull-up resistor
R1 VCC V_BASE 10k

* R2: LDR (Light Dependent Resistor)
* ... (truncated in public view) ...

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🔓 Ver planes de acceso premium 

* Practical case: Automatic twilight switch
* 
* This netlist implements a twilight switch where an LED turns ON
* when the light level drops (simulated by increasing LDR resistance).

* --- Models ---
* Standard NPN Transistor Model
.model 2N3904 NPN(IS=1E-14 VAF=100 BF=200 IKF=0.3 XTB=1.5 BR=3 CJC=8E-12 CJE=25E-12 TR=460E-9 TF=400E-12 ITF=0.6 VTF=10 XTF=30 RB=10 RC=1 RE=0.1)
* Generic Red LED Model (Vf approx 1.8V)
.model LED_RED D(IS=1e-14 N=2.5 RS=5 BV=5 IBV=10u)

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC source connected to VCC and GND (0)
V1 VCC 0 DC 9

* --- Sensor Stage (Voltage Divider) ---
* R1: 10 kΩ Pull-up resistor
R1 VCC V_BASE 10k

* R2: LDR (Light Dependent Resistor)
* Modeled as a behavioral resistor to simulate changing light conditions.
* Low Resistance = Bright Light (LED OFF), High Resistance = Dark (LED ON).
* Simulation: Resistance ramps from 100 Ohm to 3000 Ohm over 5ms.
* The switching threshold (Vbe ~ 0.65V) occurs around R2 = 780 Ohms.
R2 V_BASE 0 R='100 + 2900 * (time / 0.005)'

* --- Switching Stage ---
* Q1: 2N3904 NPN Transistor
* Base -> V_BASE, Collector -> N_LED_CATHODE, Emitter -> GND (0)
Q1 N_LED_CATHODE V_BASE 0 2N3904

* --- Output Stage ---
* R3: 470 Ω LED current limiting resistor
R3 VCC N_LED_ANODE 470

* D1: Red LED
* Anode -> N_LED_ANODE, Cathode -> N_LED_CATHODE
D1 N_LED_ANODE N_LED_CATHODE LED_RED

* --- Simulation Directives ---
* Perform a transient analysis for 5ms to observe the switching behavior
.tran 10u 5m

* Print required voltages for verification
* V_BASE: Shows the sensor voltage rising.
* N_LED_CATHODE: Shows the collector voltage dropping when Q1 turns ON.
.print tran V(V_BASE) V(N_LED_CATHODE) V(N_LED_ANODE)

.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (508 rows) 
Index   time            v(v_base)       v(n_led_cathode v(n_led_anode)
0	0.000000e+00	8.910891e-02	8.519679e+00	9.000000e+00
1	1.000000e-07	8.915880e-02	8.519729e+00	9.000000e+00
2	2.000000e-07	8.920993e-02	8.519780e+00	9.000000e+00
3	4.000000e-07	8.931227e-02	8.519882e+00	9.000000e+00
4	8.000000e-07	8.951694e-02	8.520087e+00	9.000000e+00
5	1.600000e-06	8.992625e-02	8.520496e+00	9.000000e+00
6	3.200000e-06	9.074475e-02	8.521314e+00	9.000000e+00
7	6.400000e-06	9.238131e-02	8.522950e+00	9.000000e+00
8	1.280000e-05	9.565263e-02	8.526219e+00	9.000000e+00
9	2.280000e-05	1.007592e-01	8.531319e+00	9.000000e+00
10	3.280000e-05	1.058600e-01	8.536410e+00	9.000000e+00
11	4.280000e-05	1.109549e-01	8.541491e+00	9.000000e+00
12	5.280000e-05	1.160440e-01	8.546563e+00	9.000000e+00
13	6.280000e-05	1.211273e-01	8.551627e+00	9.000000e+00
14	7.280000e-05	1.262047e-01	8.556682e+00	9.000000e+00
15	8.280000e-05	1.312764e-01	8.561728e+00	9.000000e+00
16	9.280000e-05	1.363422e-01	8.566765e+00	9.000000e+00
17	1.028000e-04	1.414023e-01	8.571793e+00	9.000000e+00
18	1.128000e-04	1.464566e-01	8.576812e+00	9.000000e+00
19	1.228000e-04	1.515051e-01	8.581823e+00	9.000000e+00
20	1.328000e-04	1.565479e-01	8.586824e+00	9.000000e+00
21	1.428000e-04	1.615849e-01	8.591815e+00	9.000000e+00
22	1.528000e-04	1.666162e-01	8.596796e+00	9.000000e+00
23	1.628000e-04	1.716418e-01	8.601767e+00	9.000000e+00
... (484 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Intercambiar la resistencia y la LDR: Colocar la LDR arriba y R1 abajo crea una «Alarma matutina» (se enciende cuando detecta luz) en lugar de un interruptor crepuscular. Asegúrate de que R1 se conecte a VCC y la LDR se conecte a 0.
  2. Polaridad del LED invertida: El LED no se encenderá si el ánodo y el cátodo están intercambiados. Asegúrate de que el lado plano (Cátodo) se conecte al colector del transistor.
  3. Confusión en el pinout del transistor: Confundir Colector, Base y Emisor en el 2N3904 es común. Verifica la hoja de datos (datasheet) para tu encapsulado específico (generalmente E-B-C de izquierda a derecha cuando el lado plano te mira).

Solución de problemas

  • El LED está siempre encendido:
    • La luz ambiental podría ser demasiado baja. Usa una linterna para probar el sensor.
    • El valor de R1 (Pull-up) es demasiado bajo, proporcionando demasiada corriente de base incluso con luz. Aumenta R1 a 22 kΩ o 47 kΩ.
  • El LED está siempre apagado:
    • Comprueba la orientación del transistor.
    • R1 podría ser demasiado alta, impidiendo que el voltaje de base alcance los 0.7 V incluso en la oscuridad.
    • La LDR podría estar en cortocircuito.
  • El LED es tenue en la oscuridad:
    • El voltaje de la batería (V1) es bajo.
    • R3 (Limitación de corriente) es demasiado alta; intenta reducirla ligeramente (no bajes de 220 Ω).

Posibles mejoras y extensiones

  1. Ajuste de sensibilidad: Reemplaza R1 con un potenciómetro de 50 kΩ o 100 kΩ para ajustar manualmente el nivel exacto de oscuridad requerido para activar el LED.
  2. Histéresis: Añade una resistencia de retroalimentación entre el Colector y la Base para crear un efecto «Schmitt Trigger», evitando que el LED parpadee en el umbral crepuscular.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el objetivo principal del circuito descrito en el artículo?




Pregunta 2: ¿Qué componente actúa como el sensor de luz en este circuito?




Pregunta 3: El circuito actúa como una puerta lógica específica en relación con la luz. ¿Cuál es?




Pregunta 4: ¿Qué sucede con el voltaje en la base del transistor (V_BASE) cuando disminuye la intensidad de la luz?




Pregunta 5: ¿Cuál es la función principal del transistor en este circuito?




Pregunta 6: ¿Qué estado tiene el LED cuando la LDR está expuesta a luz brillante?




Pregunta 7: ¿Cuál de los siguientes es un caso de uso mencionado para este circuito?




Pregunta 8: ¿Qué ocurre con el LED cuando se cubre la LDR simulando oscuridad?




Pregunta 9: ¿Para qué tipo de público está dirigido este proyecto según el contexto?




Pregunta 10: ¿Cómo se relaciona este circuito con la eficiencia de pantallas?




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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